Un alternador es un generador eléctrico que convierte la energía mecánica en energía eléctrica en forma de corriente alterna . [2] Por razones de costo y simplicidad, la mayoría de los alternadores utilizan un campo magnético giratorio con una armadura estacionaria . [3] Ocasionalmente, se utiliza un alternador lineal o una armadura giratoria con un campo magnético estacionario. En principio, cualquier generador eléctrico de CA puede denominarse alternador, pero normalmente el término se refiere a pequeñas máquinas giratorias impulsadas por automóviles y otros motores de combustión interna.
Un alternador que utiliza un imán permanente para su campo magnético se llama magneto . Los alternadores de las centrales eléctricas accionadas por turbinas de vapor se denominan turboalternadores. Los grandes alternadores trifásicos de 50 o 60 Hz de las centrales eléctricas generan la mayor parte de la energía eléctrica del mundo, que se distribuye a través de las redes eléctricas . [4]
Los sistemas de generación de corriente alterna se conocieron en formas simples desde el descubrimiento de la inducción magnética de la corriente eléctrica en la década de 1830. Los generadores giratorios producían naturalmente corriente alterna pero, como tenía poco uso, normalmente se convertía en corriente continua mediante la adición de un conmutador en el generador. [8] Las primeras máquinas fueron desarrolladas por pioneros como Michael Faraday e Hippolyte Pixii . Faraday desarrolló el "rectángulo giratorio", cuyo funcionamiento era heteropolar : cada conductor activo pasaba sucesivamente a través de regiones donde el campo magnético estaba en direcciones opuestas. [9] Lord Kelvin y Sebastian Ferranti también desarrollaron los primeros alternadores, produciendo frecuencias entre 100 y 300 Hz . [ cita necesaria ]
A finales de la década de 1870 se introdujeron los primeros sistemas eléctricos a gran escala con estaciones centrales de generación para alimentar lámparas de arco , utilizadas para iluminar calles enteras, patios de fábricas o el interior de grandes almacenes. Algunas, como las lámparas de arco de Yablochkov introducidas en 1878, funcionaban mejor con corriente alterna, y el desarrollo de estos primeros sistemas generadores de CA estuvo acompañado por el primer uso de la palabra "alternador". [10] [8] El suministro de la cantidad adecuada de voltaje desde las estaciones generadoras en estos primeros sistemas se dejaba en manos de la habilidad del ingeniero para "montar la carga". [11] En 1883, Ganz Works inventó el generador de voltaje constante [12] que podía producir un voltaje de salida establecido, independientemente del valor de la carga real. [13] La introducción de transformadores a mediados de la década de 1880 condujo al uso generalizado de corriente alterna y al uso de alternadores necesarios para producirla. [14] Después de 1891, se introdujeron alternadores polifásicos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes. [15] Los alternadores posteriores fueron diseñados para varias frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y aproximadamente cien hercios, para su uso con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos. [16] Los alternadores de radiofrecuencia especializados, como el alternador Alexanderson , se desarrollaron como transmisores de radio de onda larga alrededor de la Primera Guerra Mundial y se utilizaron en algunas estaciones de telegrafía inalámbrica de alta potencia antes de que los transmisores de tubo de vacío los reemplazaran. [ cita necesaria ]
Un conductor que se mueve con respecto a un campo magnético desarrolla en él una fuerza electromotriz (EMF) ( ley de Faraday ). Este EMF invierte su polaridad cuando se mueve bajo polos magnéticos de polaridad opuesta. Normalmente, un imán giratorio, llamado rotor , gira dentro de un conjunto estacionario de conductores, llamado estator , enrollados en bobinas sobre un núcleo de hierro. El campo atraviesa los conductores, generando una EMF (fuerza electromotriz) inducida, ya que la entrada mecánica hace que el rotor gire. [ cita necesaria ]
El campo magnético giratorio induce una tensión alterna en los devanados del estator. Dado que las corrientes en los devanados del estator varían según la posición del rotor, un alternador es un generador síncrono. [3]
El campo magnético del rotor puede ser producido por imanes permanentes o por un electroimán de bobina de campo. Los alternadores automotrices utilizan un devanado de rotor que permite controlar el voltaje generado por el alternador variando la corriente en el devanado de campo del rotor. Las máquinas de imanes permanentes evitan la pérdida debida a la corriente magnetizante en el rotor, pero tienen un tamaño restringido debido al costo del material del imán. Dado que el campo magnético permanente es constante, el voltaje terminal varía directamente con la velocidad del generador. Los generadores de CA sin escobillas suelen ser más grandes que los que se utilizan en aplicaciones automotrices. [ cita necesaria ]
Un dispositivo de control automático de voltaje controla la corriente de campo para mantener constante el voltaje de salida. Si el voltaje de salida de las bobinas del inducido estacionario cae debido a un aumento en la demanda, se alimenta más corriente a las bobinas del campo giratorio a través del regulador de voltaje (VR). Esto aumenta el campo magnético alrededor de las bobinas de campo, lo que induce un mayor voltaje en las bobinas de la armadura. De este modo, la tensión de salida vuelve a su valor original. [ cita necesaria ]
Los alternadores utilizados en las centrales eléctricas también controlan la corriente de campo para regular la potencia reactiva y ayudar a estabilizar el sistema de energía contra los efectos de fallas momentáneas . A menudo hay tres conjuntos de devanados del estator, físicamente desplazados de modo que el campo magnético giratorio produce una corriente trifásica , desplazada un tercio de período entre sí. [17]
Se produce un ciclo de corriente alterna cada vez que un par de polos de campo pasa sobre un punto del devanado estacionario. La relación entre velocidad y frecuencia es , donde es la frecuencia en Hz (ciclos por segundo). es el número de polos (2, 4, 6,…) y es la velocidad de rotación en revoluciones por minuto (r/min). Descripciones muy antiguas de sistemas de corriente alterna dan a veces la frecuencia en términos de alternancias por minuto, contando cada medio ciclo como una alternancia ; por lo que 12.000 alternancias por minuto corresponden a 100 Hz. [ cita necesaria ]
La frecuencia de salida de un alternador depende del número de polos y de la velocidad de rotación. La velocidad correspondiente a una frecuencia particular se llama velocidad síncrona para esa frecuencia. Esta tabla [18] da algunos ejemplos:
Los alternadores se pueden clasificar por método de excitación, número de fases, tipo de rotación, método de enfriamiento y su aplicación. [19]
Hay dos formas principales de producir el campo magnético utilizado en los alternadores: mediante el uso de imanes permanentes que crean su propio campo magnético persistente o mediante el uso de bobinas de campo . Los alternadores que utilizan imanes permanentes se denominan específicamente magnetos . [ cita necesaria ]
En otros alternadores, las bobinas de campo enrolladas forman un electroimán para producir el campo magnético giratorio. [ cita necesaria ]
Un dispositivo que utiliza imanes permanentes para producir corriente alterna se llama alternador de imán permanente (PMA). Un generador de imanes permanentes (PMG) puede producir corriente alterna o corriente continua si tiene un conmutador . [ cita necesaria ]
Este método de excitación consiste en un generador de corriente continua (CC) más pequeño fijado en el mismo eje que el alternador. El generador de CC genera una pequeña cantidad de electricidad, la suficiente para excitar las bobinas de campo del alternador conectado para generar electricidad. Una variación de este sistema es un tipo de alternador que utiliza corriente continua de una batería para la excitación inicial al arrancar, después de lo cual el alternador se autoexcita. [19]
Este método depende del magnetismo residual retenido en el núcleo de hierro para generar un campo magnético débil que permitiría generar un voltaje débil. Este voltaje se utiliza para excitar las bobinas de campo del alternador para generar un voltaje más fuerte como parte de su proceso de acumulación . Después de la acumulación inicial de voltaje de CA, el campo recibe voltaje rectificado desde el alternador. [19]
Un alternador sin escobillas se compone de dos alternadores construidos de un extremo a otro en un eje. Hasta 1966, los alternadores utilizaban escobillas con campo giratorio. [20] Con el avance de la tecnología de semiconductores, los alternadores sin escobillas son posibles. Los alternadores sin escobillas más pequeños pueden parecer una sola unidad, pero las dos partes son fácilmente identificables en las versiones grandes. La mayor de las dos secciones es el alternador principal y la más pequeña es el excitador. El excitador tiene bobinas de campo estacionarias y una armadura giratoria (bobinas de potencia). El alternador principal utiliza la configuración opuesta con un campo giratorio y una armadura estacionaria. Un puente rectificador , llamado conjunto rectificador giratorio, está montado en el rotor. No se utilizan escobillas ni anillos colectores, lo que reduce el número de piezas de desgaste. El alternador principal tiene un campo giratorio como se describe anteriormente y una armadura estacionaria (devanados de generación de energía).
Variar la cantidad de corriente a través de las bobinas de campo del excitador estacionario varía la salida trifásica del excitador. Esta salida se rectifica mediante un conjunto rectificador giratorio, montado en el rotor, y la CC resultante suministra el campo giratorio del alternador principal y, por tanto, la salida del alternador. El resultado de todo esto es que una pequeña corriente de excitador de CC controla indirectamente la salida del alternador principal. [21]
Otra forma de clasificar los alternadores es por el número de fases de su voltaje de salida. La salida puede ser monofásica o polifásica. Los alternadores trifásicos son los más comunes, pero los alternadores polifásicos pueden ser de dos fases, seis fases o más. [19]
La parte giratoria de los alternadores puede ser la armadura o el campo magnético. El tipo de armadura giratoria tiene la armadura enrollada en el rotor, donde el devanado se mueve a través de un campo magnético estacionario. El tipo de armadura giratoria no se utiliza con frecuencia. [19] El tipo de campo giratorio tiene un campo magnético en el rotor para girar a través de un devanado de armadura estacionario. La ventaja es que entonces el circuito del rotor transporta mucha menos energía que el circuito del inducido, lo que hace que las conexiones de los anillos colectores sean más pequeñas y menos costosas; Para el rotor de corriente continua sólo se necesitan dos contactos, mientras que a menudo un devanado de rotor tiene tres fases y varias secciones, cada una de las cuales requeriría una conexión de anillo colector. La armadura estacionaria se puede enrollar para cualquier nivel de voltaje medio conveniente, hasta decenas de miles de voltios; La fabricación de conexiones de anillos colectores para más de unos pocos miles de voltios es costosa e inconveniente. [ cita necesaria ]
Muchos alternadores se enfrían con aire ambiente, impulsado a través del gabinete por un ventilador adjunto en el mismo eje que impulsa el alternador. En vehículos como los autobuses de tránsito, una gran demanda del sistema eléctrico puede requerir que un alternador grande esté refrigerado por aceite. [22] En aplicaciones marinas también se utiliza la refrigeración por agua. Los automóviles costosos pueden utilizar alternadores enfriados por agua para satisfacer las altas demandas del sistema eléctrico. [ cita necesaria ]
La mayoría de las centrales de generación de energía utilizan máquinas síncronas como generadores. La conexión de estos generadores a la red pública requiere que se cumplan las condiciones de sincronización. [23]
Los alternadores se utilizan en los automóviles modernos con motor de combustión interna para cargar la batería y alimentar el sistema eléctrico cuando el motor está en marcha. [ cita necesaria ]
Hasta la década de 1960, los automóviles utilizaban generadores de dinamo de CC con conmutadores . Con la disponibilidad de rectificadores de diodos de silicio asequibles , se utilizaron alternadores en su lugar. [ cita necesaria ]
En las locomotoras diésel-eléctricas posteriores y en las unidades múltiples diésel-eléctricas , el motor primario hace girar un alternador que proporciona electricidad a los motores de tracción (CA o CC). [ cita necesaria ]
El alternador de tracción suele incorporar rectificadores de diodos de silicio integrales para proporcionar a los motores de tracción hasta 1200 voltios CC. [ cita necesaria ]
Las primeras locomotoras eléctricas diésel, y muchas de las que aún están en servicio, utilizan generadores de CC ya que, antes de la electrónica de potencia de silicio, era más fácil controlar la velocidad de los motores de tracción de CC. La mayoría de ellos tenían dos generadores: uno para generar la corriente de excitación para un generador principal más grande. [ cita necesaria ]
Opcionalmente, el generador también suministra energía de cabecera (HEP) o energía para la calefacción eléctrica de trenes . La opción HEP requiere una velocidad constante del motor, normalmente 900 r/min para una aplicación HEP de 480 V 60 Hz, incluso cuando la locomotora no está en movimiento. [ cita necesaria ]
Los alternadores marinos utilizados en yates son similares a los alternadores de automóviles, con adaptaciones apropiadas al entorno de agua salada. Los alternadores marinos están diseñados para ser a prueba de explosiones (protegidos contra ignición), de modo que las chispas de las escobillas no enciendan mezclas de gases explosivos en el ambiente de la sala de máquinas. Pueden ser de 12 o 24 voltios según el tipo de sistema instalado. Los motores diésel marinos más grandes pueden tener dos o más alternadores para hacer frente a la gran demanda eléctrica de un yate moderno. En circuitos de alternador único, la energía se puede dividir entre la batería de arranque del motor y la batería (o baterías) doméstica o doméstica mediante el uso de un diodo de carga dividida ( aislador de batería ) o un relé sensible al voltaje. Debido al alto costo de los bancos de baterías domésticos grandes, los alternadores marinos generalmente utilizan reguladores externos. Los reguladores de varios pasos controlan la corriente de campo para maximizar la efectividad de la carga (tiempo de carga) y la duración de la batería. Los reguladores multipaso se pueden programar para diferentes tipos de baterías. Se pueden agregar dos sensores de temperatura, uno para que la batería ajuste el voltaje de carga y un sensor de sobretemperatura en el alternador real para protegerlo del sobrecalentamiento. [ cita necesaria ]
Los alternadores de alta frecuencia del tipo de reluctancia variable se aplicaron comercialmente a la transmisión de radio en las bandas de radio de baja frecuencia. Estos se utilizaron para la transmisión de código Morse y, de forma experimental, para la transmisión de voz y música. En el alternador Alexanderson , tanto el devanado de campo como el de la armadura son estacionarios, y la corriente se induce en la armadura en virtud de la reluctancia magnética cambiante del rotor (que no tiene devanados ni partes portadoras de corriente). Estas máquinas se fabricaron para producir corriente de radiofrecuencia para transmisiones de radio, aunque la eficiencia era baja. [ cita necesaria ]
